[发明专利]一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统

说明书

本发明公开了一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统，具体包括钻孔轨迹模型、控制器设计、隶属度函数设置、数据归一化、模糊规则制定和工程实际与仿真结果。在选定钻孔轨迹模型后，进行钻孔轨迹控制方法的制定，使控制系统输出的实钻轨迹逼近设计轨迹，实现钻孔轨迹的跟踪控制。由于工具面向角是0～360°的环形取值，本发明采用分段模糊控制对工具面向角输出进行划分，不仅创新性解决了单一模糊控制器隶属度函数难以设计的问题，同时也解决了现有的以人工知识为的主定向钻进施工存在的技术差异，可以实现定向钻孔轨迹的自动控制，提高定向钻进施工效率和钻孔轨迹的施工精度，具有很高的工程应用价值。

技术领域

本发明属于煤矿井下定向钻探技术领域，具体涉及一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统。

背景技术

随着我国煤炭资源开采规模、强度和深度逐步增加，矿井灾害也趋向多样化和复杂化，大量实践证明，煤矿井下定向钻探已成为深部煤炭资源开采防灾、减灾、治灾技术体系不可或缺的重要环节，广泛应用于瓦斯、水害和冲击地压防治等方面。

目前，煤矿井下定向钻进施工主要是司钻员通过分析随钻测量软件的实测数据和设计数据，得出钻孔在目标煤层中的空间位置，结合轨迹控制经验调整螺杆马达工具面向角来实现对钻孔轨迹的控制。

由于煤矿井下地层复杂多变、随钻测量信息滞后及钻进过程参数的不确定性等，现有的以人工知识为为主的定向钻进施工存在技术差异且易受疲劳、走神、情绪波动等影响；特别是当钻孔轨迹深度增加后，轨迹控制的不合理容易造成局部孔段钻孔轨迹曲率较大，增加钻具在孔内的摩擦阻力，增大定向钻进施工风险；轨迹控制失误容易造成实钻轨迹与设计轨迹偏离较大，影响相邻钻孔施工，达不到预期的灾害治理效果，甚至引起卡钻、埋钻和孔内坍塌等事故，造成工期延误和经济损失。

为此，本发明的设计者鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，以克服上述缺陷。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法及控制系统，以解决现有的以人工知识为的主定向钻进施工存在的技术差异，提高定向钻进施工效率和钻孔轨迹的施工精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种基于分段模糊控制的定向钻孔轨迹控制方法，包括：

(1)选定钻孔轨迹模型：

所述的钻孔轨迹模型计算公式如下：

式中ΔL_i——钻孔轴线测点L_i-1与L_i两点间钻孔轴线的长度，m；

θ_i——钻孔轴线L_i测点的钻孔倾角，°；

α_i——钻孔轴线L_i测点的钻孔方位角，°；

α_α——钻孔主设计方位角，°；

x——钻孔的X向位移，m；

y——钻孔的Y向位移，m；

z——钻孔的Z向位移，m；

(2)制定控制方法：

K_α＝Ksinω；K_θ＝Kcosω；